Antibiotika und Antibiotikaresistenz

Antibiotika und
Antibiotikaresistenz
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Definition
Antibiotika sind niedermolekulare Stoffwechselprodukte bestimmter
Organismen, die in bereits geringer Konzentration auf andere
Organismen (insbesondere Bakterien) toxisch wirken.
Der Begriff schließt heute auch synthetische Substanzen ein.
Antibiotika wirken durch die selektive
(lebenswichtigen) Enzyms ("drug target").
Hemmung
eines
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Wirkung von Antibiotika
Bakteriostatische Wirkung:
Wachstum ist gehemmt, Zellen sterben nicht
Bakterizide Wirkung:
Wachstum ist gehemmt, Zellen sterben mit der Zeit
Bakteriolytische Wirkung:
Zellen sterben durch Lyse
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(Aus ”Brock Mikrobiologie” von Madigan & Martinko, Pearson Studium)
Entdeckung der Antibiotika
1929 Alexander Fleming
Penicillium notatum
Schimmelpilz
Bakterien
Im September 1928 entdeckte Alexander Flemming das Penicillin auf die
gleiche Art, auf die er Lysozym entdeckt hatte: durch Zufall. Er hatte
einige Petrischalen in seinem Labor liegen gelassen und bemerkte nach
einem Wochenendurlaub, dass auf einer Platte eine Schimmelpilzkolonie
wuchs, um die herum keine Bakterien zu sehen waren. Er analysierte den
Schimmelpilz und entdeckte eine neue Verbindung, die das
Bakterienwachstum selbst bei 800-facher Verdünnung hemmte. Er
nannte die Substanz Penicillin. Flemings erste Publikation über Penicillin
erschien 1929.
1945 erhielt Fleming für diese Entdeckung den Nobelpreis für Medizin.
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Wirkungsspektrum von Penicillin
Penicillin hemmt nur eine bestimmte Klasse von Bakterien, die sich
durch die Gram-Färbung unterscheiden lassen:
Penicillin hemmt gram-positive Bakterien, nicht gram-negative
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Die Gramfärbung
Gram+ und Gram- Bakterien
unterscheiden sich im Zellwandaufbau
(Aus ”Brock Mikrobiologie” von Madigan & Martinko, Pearson Studium)
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Aufbau der Bakterien Zellwand
(Aus ”Brock Mikrobiologie” von Madigan & Martinko, Pearson Studium)
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Aufbau der Bakterien Zellwand
Gram+ Bakterien
Gram- Bakterien
(Aus ”Brock Mikrobiologie” von Madigan & Martinko, Pearson Studium)
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Peptidoglycan
Die Struktur einer der sich
wiederholenden Einheiten der
Peptidoglykanzellwandstruktur,
des Glykantetrapeptids.
Die dargestellte Struktur findet
man bei Escherichia coli und den
meisten anderen gramnegativen
Bacteria. Bei einigen Bacteria
kommen andere Aminosäuren vor
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Peptidoglycan – Murein
Verbindung der Peptid- und
Glykaneinheiten bei Escherichia coli
und Staphylococcus aureus
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Murein (Peptidoglucan)-Synthese aus
niedermolekularen Bausteinen
TGase
TPase
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Wirkungsweise des Penicillins
Penicilloyl-O-TPase Intermediat.
Nur sehr langsame Hydrolyse. Die
Transpeptidase ist blockiert
Penicillin und verwandte Substanzen sind Inhibitoren der Transpeptidase und
interferieren mit der bakteriellen Zellwandsynthese. Dies hat zunächst keinen
Effekt auf nicht-wachsende Zellen
Transpeptidase = PBP (Penicillin binding proteins)
PBP/β-Lactam-Komplex: stimuliert die Production von Autolysinen
Konsequenz: kein Wachstum, Zellen lysieren mit der Zeit
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Exkurs: Lysozyme
1922 Alexander Fleming
• 
Familie von Enzymen, welche die Bakterienzellwand
durch Hydrolyse des Peptidoglycans schädigt.
Eindringendes Wasser bringt die Bakterien zum
Platzen.
• 
Hydrolysiert die β-1,4-glycosidische Bindung
zwischen N-Acetylmuraminsäure and N-Acetyl-Dglucosamin.
• 
Häufig in vielen tierischen Sekreten (z.B. Tränen,
Speichel, Schleim) und Eiklar; auch von Prokaryoten
und Phagen (T4) produziert.
• 
Wichtig für die Abwehr bakterieller Infektionen
• 
Hühnereiweiß-Lysozym: 129 Aminosäuren, 14388
Da, 4 Disulfidbrücken
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β-Lactam-Antibiotika – Penicilline
Modifikation der N-Acylgruppe führt zu
einem veränderten Wirkungsspektrum:
Halbsynthetische Penicilline
(Aus ”Brock Mikrobiologie” von Madigan & Martinko, Pearson Studium)
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Resistenz gegen β-Lactam-Antibiotika
β-Lactam-Ring
Penicillin-Säure
(inaktiver Metabolit)
Enzyme, die Penicillin unter Öffnung des β-Lactam-Ringes
hydrolysieren, vermitteln Penicillin-Resistenz.
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Nukleosidanaloga: Puromycin
Puromycin ist ein von Streptomyces alboniger produziertes NucleosidAnalogon und verursacht einen Kettenabbruch während der Translation.
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Peptidyltransferase-Reaktion
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Wirkungsmechanismus von Puromycin
Puromycin ersetzt die Aminoacyl-tRNA als Akzeptor der Peptidyltransferase-Reaktion und
verursacht dadurch einen Kettenabbruch.
D.h. das naszierende Polypeptid wird mit einem C-terminalen Puromycinrest vom Ribosom
entlassen.
Puromycin ist für Prokaryoten und Eukaryoten gleichermaßen toxisch.
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Resistenz gegen Puromycin
Puromycin-N-Acetyl-Transferase konvertiert Puromycin in eine inaktive Form.
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Aminoglycosid-Antibiotika
Struktur: Über glykosidische Bindungen verknüpfte Aminozucker
Beispiel: Streptomycin
Vorkommen: Streptomyces griseus
Medizinische Bedeutung: war eines der ersten wirksamen Mittel gegen Tuberkulose.
Mechanismus: In Gegenwart von Streptomycin steigt die Fehlerrate der bakteriellen Translation
von 10-4 auf 10-3 bis 10-2, was die Vermehrung der Bakterien hemmt.
Resistenz: Bestimmte Mutationen, z.B. im ribosomalen Protein S12, bewirken StreptomycinResistenz, d.h. genaue Translation selbst in Gegenwart dieses Antibiotikums. Diese Mutanten
translatieren in Abwesenheit von Streptomycin deutlich präziser als Wildtyp-Bakterien (aber
auch deutlich langsamer). Einige dieser Mutanten können dann nur noch in Gegenwart von
Streptomycin überleben.
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Aminoglycosid-Antibiotika
Beispiel: Kanamycin A
Vorkommen: Streptomyces kanamyceticus
Mechanismus: Inhibition der Translation durch Bindung an den tRNA decodierenden
A-Ort der 30S ribosomalen Untereinheit
Medizinische Bedeutung: gram-negative Bakterien; nicht mehr häufig angewendet
Resistenz: Modifikation durch N-Acetyltransferase
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Chloramphenicol
Vorkommen: Streptomyces venezuelae
Mechanismus: bindet an den A-Ort des Peptidyl-Transferase Zentrums (50S
Untereinheit) und verhindert die Bindung der Aminoacyl-tRNA.
Medizinische Bedeutung: Breitbandantibiotikum, das in der Humanmedizin aber
kaum mehr angewandt wird. Grund sind zum einen toxische Nebenwirkungen, die
sich u.a. auf die Hemmung der Proteinsynthese an mitochondrialen Ribosomen
zurückführen lassen. Zum anderen ist in pathogenen Bakterienstämmen
Chloramphenicol-Resistenz heute weit verbreitet.
Resistenz: Modifikation durch Chloramphenicol-Acetyl-Transferase (CAT)
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Tetracyclin
Vorkommen: Streptomyces aureofaciens
Mechanismus: blockiert prokaryotische Translation, indem es die Bindung der
Aminoacyl-tRNAs verhindert (es interagiert mit der 16S RNA der kleinen
ribosomalen Untereinheit)
50S
EF-Tu
tRNAs
30S
Mol Cell 2001 May;7(5):1037-45
Cryo EM Analyse
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Tetracyclin
Medizinische Bedeutung: Breitbandantibiotikum, inhibiert fast alle gram-positive
und gram-negative Bakterien. Tetracyclin-Derivate (Oxytetrazyclin etc.) werden
medizinisch intensiv genutzt.
Resistenz: Verschiedene Mechanismen
1.  Tet-Transporter pumpen Tetrazyclin aktiv aus den Zellen (Energiequelle:
Protonengradient).
2.  "ribosome protection proteins" (Bsp.: "Tet(O)", Tet(M)"). Ähnlichkeiten zu EF-Tu
und EF-G: entfernen Tetracyclin-Derivate aktiv (d.h. unter GTP-Hydrolyse) vom
Ribosom.
3.  Die 16S-RNA kann durch Mutation so verändert werden, dass ihre
Funktionalität in der Translation erhalten bleibt, aber kein Tetracyclin mehr
gebunden werden kann.
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Chinolone
Mechanismus: Interferenz mit der bakterielle DNA-Replikation, so dass ein (letaler)
DNA-Doppelstrangbruch verbleibt. Ciprofloxacin bindet den Komplex aus Gyrase
(Topoisomerase II) mit kovalent gebundener DNA so fest, dass der durch das
Enzym bewirkte Doppelstrangbruch nicht wieder geschlossen werden kann.
Medizinische Bedeutung: Breites Wirkspektrum besonders gegen gram-negative
Bakterien.
Resistenz: Mutationen in gyrA, gyrB (Untereinheiten der Gyrase) und grlA und grlB
(Untereinheiten der Topoisomerase IV); norA (Effluxpumpe)
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Wirkorte von Antibiotika
(Aus ”Brock Mikrobiologie” von Madigan & Martinko, Pearson Studium)
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Resistenzbildung
(a) Die Beziehung zwischen der Verwendung von
Antibiotika und dem Prozentsatz antibiotikaresistenter
Bakterien, die aus Patienten mit Durchfall isoliert
wurden. Die Wirkstoffe, die in den größten Mengen
eingesetzt wurden, wie hier durch die kommerziell
hergestellten Mengen dargestellt ist, sind diejenigen,
für die man am häufigsten resistente Stämme findet.
(b) Prozentsätze berichteter Fälle von durch
wirkstoffresistente Stämme bedingter Gonorrhoe. Die
absolute Zahl gemeldeter wirkstoffresistenter Fälle
betrug im Jahr 1985 rund 9.000. Diese Zahl stieg auf
59.000 im Jahr 1990. Mehr als 95 % der gemeldeten
wirkstoffresistenten Krankheitsfälle gehen zu Lasten
Penicillinase produzierender Stämme von Neisseria
gonorrhoeae. Seit 1990 wird Penicillin wegen der
zunehmenden Medikamentenresistenz der Erreger
nicht mehr zur Behandlung der Gonorrhoe
empfohlen. (Quelle: Centers for Disease Control and
Prevention, Atlanta, Georgia, USA)
(Aus ”Brock Mikrobiologie” von Madigan & Martinko, Pearson Studium)
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Resistenz
Definition : die adaptive Fähigkeit eines Mikroorganismus in der Gegenwart eines
Antibiotikums zu wachsen.
*Toleranz:
Mikroorganismus kann in Gegenwart eines Antibiotikums überleben,
wächst aber nicht.
*Resistenz:
R-Plasmide: Codieren häufig mehrere Resistenzen
- neue Antibiotika modifizierende Enzyme
- Proteine, welche Import oder das Erreichen des Wirkortes hemmen
- Effluxpumpen
Chromosomal codierte Resistenz: oft Modifikation des Wirkortes, z.B. Ribosom
(Prophagen, Transposons, Resistenzinseln)
*Meist wird die Resistenz durch Austausch genetischer Information erworben.
Horizontaler Gentransfer: Konjugation, Transformation,Transduction
*Häufig gibt es verschiedene Mechanismen der Resistenzbildung
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Mechanismen der Resistenz
1.
Fehlender Wirkort
Bsp. Mycoplasmen haben keine typische
Zellwand: resistent gegen Penicillin
2.
Impermeabilität
Die äußere Membran der gram-negativen
Bakterien ist impermeable für viele Antibiotika;
Bsp. Penicillin
3. 
Inaktivierung des Antibiotikums
Modifikation oder Degradation; Bsp. βLactamase (Penicillin), Acetyltransferase
(Kanamycin, Chloramphenicol)
4. 
Veränderung des Wirkortes
Bsp. Mutation ribosomaler Proteine
(Streptomycin) oder rRNA (Tetracyclin)
5.
Effluxpumpen
Bsp. Tetracyclin, Ciprofloxacin
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Warum gibt es Antibiotika? – Warum Resistenz ?
•  Konkurrenzausschluss langsam wachsender
Bakterien und Pilze
•  Antibiotika sind Evolutionär alte Verbindungen:
Genügend Zeit für die Evolution von Resistenz
•  Sowohl Antibiotikaproduktion als auch die Resistenz
gegen Antibiotika verursachen Energiekosten und
bleiben nur unter Selektionsbedingungen erhalten.
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